[发明专利]一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置及方法

权利要求书

1.一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，该装置包括铁磁薄膜非均匀应力测量光路、薄膜磁滞回线测量光路、亥姆霍兹线圈(12)及其电源(13)、试件加热台(14)、热电偶(15)、力加载结构(16)和调节支架(17)，所述的试件加热台和力加载结构设置在亥姆霍兹线圈所形成的磁场内；

所述的铁磁薄膜非均匀应力测量光路依次包括第一激光器(1a)、第一扩束镜(2a)、分光镜(3)、第一反光镜(4a)、第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(6)、过滤屏(7)以及CCD相机(8)；所述的第一激光器(1a)发出的激光经过第一扩束镜(2a)后照射到分光镜(3)，由分光镜(3)反射的光束到达放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件(18)，经试件反射的光束透过分光镜(3)到达第一反光镜(4a)，由第一反光镜(4a)反射的光束依次经过所述的第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(6)、过滤屏(7)到达CCD相机(8)；所述的第一光栅(5a)和第二光栅(5b)通过旋转结构能够在光栅所在的平面内绕第一反光镜(4a)反射的光束旋转；

所述的铁磁薄膜磁滞回线测量光路依次包括第二激光器(1b)、第二扩束镜(2b)、起偏镜(9)、第二反光镜(4b)、第三反光镜(4c)、检偏镜(10)以及光电检测器(11)，所述的第二激光器(1b)发出的激光经过第二扩束镜(2b)后经过起偏镜(9)变成线偏振光，此线偏振光经第二反光镜(4b)反射后，照射到放置在亥姆霍兹线圈磁场内的试件(18)，经试件(18)反射的光束到达第三反光镜(4c)，由第三反光镜(4c)反射的光束经过检偏镜(10)到达光电检测器(11)，光电检测器(11)测量接收到的光束强度。

2.按照权利要求1所述的一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，所述的装置还包括第一支架(19a)和第二支架(19b)，所述的第一激光器(1a)、第二激光器(1b)、第一扩束镜(2a)、第二扩束镜(2b)、第一反光镜(4a)、第二反光镜(4b)以及起偏镜(9)分别与第一支架(19a)相连接；所述的分光镜(3)、第一光栅(5a)、第二光栅(5b)、透镜(6)、过虑屏(7)、CCD相机(8)、第三反光镜(4c)、检偏镜(10)以及光电检测器(11)分别与第二支架(19b)相连接。

3.按照权利要求2所述的一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，所述的第一反光镜(4a)以转动副安置在第一支架(19a)上，所述的第二反光镜(4b)的两端以转动副安置在第一支架(19a)上，所述的第三反光镜(4c)的两端以转动副安置在第二支架(19b)上。

4.按照权利要求1所述的一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置，其特征在于，所述的第一激光器(1a)与第二激光器(1b)采用不同频率的激光器。

5.一种采用如权利要求1所述装置的铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a.利用亥姆霍兹线圈给试件提供均匀磁场，使试件磁化，并记录外加磁场的磁场强度H；

b.利用力加载结构对试件进行力加载，并记录施加载荷的大小F；

c.利用试件加热台对试件进行加热，待试件的温度稳定后，利用热电偶测量试件的温度T；

d.打开第一激光器，使第一激光器发出的光束通过第一扩束镜，并调节第一扩束镜，使从第一激光器发出的激光扩束并保持均匀性；

e.调整分光镜、第一反光镜和调节支架，使由第一扩束镜扩束后的光束通过分光镜反射到试件表面，从试件表面反射的光束通过分光镜到达第一反光镜，由第一反光镜反射的光束依次通过第一光栅、第二光栅、透镜和过滤屏之后，到达CCD相机；

f.将第一光栅和第二光栅的栅线方向调整至相互平行，调节透镜、过滤屏和CCD相机之间的距离，得到清晰的干涉图像；

g.提取干涉条纹中心线，计算条纹级数变化梯度和，n^(x)代表在x方向剪切干涉的条纹级数，n^(y)代表在y方向剪切干涉的条纹级数，，通过下式：

κyy≈p2Δ(∂n(y)∂y),κxy≈p2Δ(∂n(y)∂x)]]>

计算得到试件表面y方向曲率κ_yy和扭率κ_xy，上式中p是光栅常数，Δ是两光栅间距；

h.将第一光栅和第二光栅在光栅面内绕垂直光栅平面的轴线向相同方向旋转90°，得到干涉条纹，提取干涉条纹中心线，计算条纹级数变化梯度，由下式：

κxx≈p2Δ(∂n(x)∂x)]]>

计算得到试件表面x方向曲率κ_xx；

i.通过坐标转换公式将直角坐标下的曲率κ_xx，κ_yy，κ_xy转换成柱坐标下的曲率κ_rr，κ_θθ，通过下式：

σrr(f)+σθθ(f)=Eshs26(1-vs)hf{κrr+κθθ+[1-vs1+vs-(1-vf)αs(1+vs)αs-(1+vf)αf](κrr+κθθ-κrr+κθθ‾)}σrr(f)-σθθ(f)=Eshs2αs(1-vf)6(1-vs)hf[(1+vs)αs-(1+vf)αf](κrr-κθθ)τ=Eshs26(1-vs2)ddr(κrr+κθθ)]]>

计算和τ得到试件在加热温度T、外加磁场强度H和力载荷F下的非均匀应力，上式中v_f是薄膜泊松比，α_f是薄膜的热膨胀系数，h_f是薄膜厚度，E_s是基体弹性模量，v_s是基体泊松比，α_s是基体的热膨胀系数，h_s是基体厚度，是薄膜中的径向应力，是薄膜中的周向应力，τ是薄膜与基体界面之间的切应力，表示κ_rr+κ_θθ在全域内的平均值，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数；

j.打开第二激光器，使第二激光器发出的光束通过第二扩束镜；并调节第二扩束镜使从第二激光器发出的激光扩束并保持均匀性；

k.调整第二反光镜和第三反光镜，使经第二扩束镜扩束后的光束通过起偏镜后变成线偏振光，此线偏振光到达第二反光镜，经第二反光镜反射到达试件表面，从试件表面反射回来的光束经过第三反光镜反射，反射光束经过检偏镜再通过光电检测器，由光电检测器测量出所接收到的光束强度I；

l.利用标准的已知磁化性质的样品代替试件，重复步骤k测得反射光强I′，由于样品的磁化性质是已知的，由外加磁场强度H计算样品的磁感应强度B′，试件(18)的磁感应强度可通过下式计算，

B=II′B′]]>

得到试件的磁感应强度B；

m.调节电源，改变亥姆霍兹线圈的磁场强度H，重复步骤k测量出在不同外加磁场强度H下试件的反射光强I，计算得到在不同外加磁场强度下试件的磁感应强度B，绘制试件的磁滞回线。